基于全生命周期理论的检修优化方法研究与实践

曾建鑫， 郑小丽， 杨冬梅， 冯韶祥， 丁鹏， 李兰浩， 郑全朝

(1. 广东电网有限责任公司茂名供电局，广东 茂名 525000； 2. 广东益泰达科技发展有限公司，广东 广州 510000)

0 引 言

随着电网规模的不断扩大，设备检修工作量快速增长，与电网企业有限的检修力量之间的矛盾日益突出。协调资产效率和运行风险之间的关系称为互联电网下电网设备检修优化的重要目标。

传统的电网设备检修优化是基于定期检修模式，以降低电网运行风险、提升优化求解效率为目标，研究的重点在于检修模型的优化求解效率上[1]。文献[2]基于组合赋权模式，提出了变权模糊输电设备状态评估方法，以提升设备运行风险的评价准确率。文献[3]在电网风险量化中考虑了负荷转移因素影响，提出了电网检修计划优化与检修状态校核方法。文献[4]将电网运行风险管理进一步体系化，提出了基于风险管理的配网检修计划优化方法。文献[5]面向电力市场，提出了时间窗模式下机组检修计划模型。由于传统的检修模型难以解决上述资产效率与运行风险之间的内生矛盾，全生命周期理论逐步开始引入电网设备检修领域。文献[6]介绍了IEC61850标准下的智能变电站检修机制，初步涉及了资产效率的概念。文献[7-8]提出了基于全生命周期设备检修策略中，重点考虑设备损坏可能引发的资产效益影响。文献[9]较为全面地考虑了电力设备全寿命周期成本，但是对电网运行风险研究较少。

全生命周期理论是资产管理的重要方法，在国外电力市场的实践表明该理论对提升资产运行效益具有显著作用[10]。本文将首先介绍全生命周期理论的基本概念，结合电网设备实际特征，提出电网设备检修效益评价指标，对设备检修所涉及的电网设备资产效率和电网运行风险两个维度进行综合评价。在此基础上，构建基于全生命周期理论的电网设备检修优化方法。最后基于该方法在广东电网某地区供电局实际开放应用情况，介绍该方法的实际使用效益。

1 全生命周期理论与设备检修效益评价

1.1 全生命周期理论

资产的全生命周期包括规划设计、物资采购、安装调试、运行维护、升级改造直至退役报废的整个过程[11]。资产全生命周期管理就是建立在上述全过程综合管理的基础上所提出的一种资产效益管理模式。与传统模式相比，资产全生命周期管理聚焦于设备在其整个生命周期的投资与收益。

按照全生命周期理论，电网设备的全生命周期费用包括初次投入、运行维护、停电损失和报废回收四个部分组成[12]。其中初次投入为规划设计、物资采购和安装调试阶段的费用总和，一旦投入运行就是给定值,报废回收则与处置方式有关，一般也视为给定值。因此全生命周期理论下，电网设备n全生命周期的价值Lccn重点考虑其运行维护费用Lon和停电损失费用Lln两部分，其关系可表示为：

Lccn=Lon+Lln

(1)

1.2 设备运行维护费用

设备运行维护费用一般通过等效计算法得到，即考虑其在同类型设备平均寿命内同等运行费用水平下的费用预期，可表示为：

Lon=MTTFn×Lo_ave

(2)

式中：MTTFn为设备n的平均寿命;Lo_ave为同类设备在单位时间内的平均运行维护费用，可通过该设备的设计参数计算得到。MTTFn则需要由该设备的可靠性函数Rn(t)计算得到，可靠性曲线由设备设计参数得到，具体表达如下：

(3)

式中：t为时间参数，计时起始时刻为该设备投入运行时。

1.3 设备停电损失费用

设备停电损失费用Lln包含资产损失和电网损失两部分费用。资产损失费用一般用同类型设备故障停运后的平均维修费用Ll1_ave等效判断，电网损失费用Ll2则重点考虑损失负荷的等效电费，可表示如下：

(4)

1.4 设备检修效益评价

设备检修前后运行状态变化将导致其可靠性指标发生变化，因此对于单个电网设备检修工作的价值可以用检修前后其设备全生命周期的价值变化来衡量，表示如下：

Vn=Lccn'-Lccn

(5)

式中:Vn表示电网设备n检修工作价值;Lccn、Lccn'分别为检修前后的设备全生命周期价值。

2 电网设备检修优化方法

2.1 优化流程

图1 检修优化实施流程

基于全生命周期理论下电网设备检修价值评价方法，综合考虑电网运行要求和设备运维要求，本文所提出的电网设备检修优化实施流程如图1所示，包括基础数据准备、必修任务确定和基于电网资产检修效益最大化的检修优化方法三个步骤。

2.2 基础数据准备

与传统的检修优化相比，本文基于全生命周期理论所提出的检修计划优化方法所需要的基础数据大量来源于历史统计数据，而不仅是当前电网运行数据和设备健康状况数据。所需要的历史数据用于统计分析得到平均运行维护费用等统计性分析指标。

2.3 必修任务确定

必修任务确定是从电网运行要求、设备运维要求两个维度出发筛选出数学模型优化难以覆盖的关键检修任务。所谓电网运行要求是指从电网生产运行角度出发必须开展的检修任务，主要表现为检修工作对电网后期生产运行具有较大影响的工作。设备运维要求是指该检修工作所涉及的设备仅在特定的时间范围内才具备开展检修的条件。以上两种情况，设备的检修优先级最高，必须首先确定其为必修任务。

2.4 基于电网资产检修效益最大化的检修优化方法

在确定必修任务的基础上，可进一步以各设备的检修任务价值对检修工作开展与否进行优化决策，优化模型如下所示：

(6)

2.5 检修优化方法优势

与传统检修优化方法相比，本文所提出的基于全生命周期理论的电网检修计划优化方法具有如下优势：

(1)从目标层面来看，本文所提出的方法是解决检修工作需要开展的问题，而传统的检修优化对所有的检修任务无差别对待，解决的是如何安排检修工作工期的问题；

(2)从机制层面来看，本文所提出的检修优化方法综合考虑了电网运行风险和设备运维风险两方面问题，给出了检修工作价值的量化结果，而传统的检修优化则仅能解决电网运行风险的问题；

(3)从策略层面来看，本文引入了设备全生命周期理论来解决检修工作价值这一核心问题，而传统的检修优化在考虑电网运行风险时仅能考虑设备故障发生概率，对其后果缺乏进一步考虑。

3 系统开发与实施效益

3.1 开发部署

本文所提出的检修优化方法已在我国某省电网中得到实际应用，下面将分别就系统功能设计、技术路线选择和系统部署架构三个方面进行介绍。

1)系统功能设计

检修决策辅助服务系统可检修计划编制人员所提供设备信息、在线监视数据、风险评估结果及检修决策建议。其功能包括以下几个部分：电网设备数据导入；设备在线监视信息查询；选择优化目标和设置优化参数；输入网络拓扑，设置约束条件和电网潮流校验方式；基于风险管理理论对设备逐一进行风险评估，分析设备检修的必要性；采用改进粒子群算法对检修计划进行优化，并显示每次迭代的设备检修工作价值；检修计划优化结果查看、导出。

2)技术路线选择

技术路线确定需要研究操作系统、数据库和开发语言三个方面。

在操作系统选择上，目前国内最常用的服务器端的操作系统平台主要有Unix、Linux和Windows等。考虑到安全性和可靠性，本系统选用Windows Server 2003操作系统。

在数据库的选择上，目前市场上常见的数据库管理系统有Oracle、Sybase和Microsoft SQL Server等几种。作为管理信息系统最重要的组成部分，要求数据库在管理功能、完整性检查和安全性等方面有较好的表现。Oracle采用标准的SQL结构化查询语言，可以支持多种数据类型，可应用于UNIX、Windows/NT和OS/2等多种平台，是目前市场评价最好的数据库。此外，Oracle还能提供基于角色分工的安全保密功能，确保网络信息安全，故本系统选用Oracle作为数据库管理系统。

在开发语言的选择上，可用于开发动态交互式Web服务器应用程序的编程语言有PHP，ASP和JSP等。由于PHP具有丰富的函数库和强大的数据库操作能力，与数据库进行数据交互的效率较高，对系统资源占用较少，本系统选用PHP作为编程语言。

图2 系统架构

3)系统部署架构

如图2所示，检修决策辅助服务系统开发采用B/S架构(Browser/Server，浏览器/服务器模式)，通过HTTP传输协议来进行数据交互，检修编制人员可登陆安装在工作区域的工作站浏览使用。

3.2 实施效益

检修决策辅助服务系统从研发部署至今，已实施运行超过3年时间。在确保电网系统电力可靠、有序供应的前提下，显著地减轻了检修计划编制人员的工作量，同时为准确评估设备状态、合理安排检修计划提供了理论支撑。其实施效益概括如下：

(1)提高了电网安全运行水平。系统通过状态评价，实现了对设备的风险评估，合理的检修计划有效地降低了该地区配电网的设备故障率。

(2)降低了电网设备检修成本。与以往的“定期检修+事后检修”模式相比，本文提出的电网检修计划优化方法能做到有的放矢，避免盲目、频繁地检修设备，降低了电网设备的检修成本。

(3)减轻了计划编制人员的工作量。电网检修决策辅助服务系统布置后，检修计划编制人员的主要工作由以往确定检修方式、检修时间转变为设置检修的优化目标及设定约束条件，工作量大大减小。

4 结束语

本文基于全生命周期理论，提出了一种基于设备检修工作价值评价的电网设备检修优化方法。以该方法为核心，设计开发了电网检修决策辅助服务系统，并成功应用于我国某省地区电网。本文提出的电网设备检修决策辅助服务系统部署后，该区域电网安全运行水平得到了实质性的提高，在检修综合效益提升的同时人员工作量下降，为优化检修计划编制提供了重要的理论支撑。